CN1529123A - 具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器 - Google Patents

Abstract

本发明具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，包括激光器，扩束器、针孔、环形光整形器件、可调光阑、偏振分光镜、偏振分光镜以及1/4波片、跟踪电感传感器、测量物镜、分光镜、聚光镜、针孔和两针孔后面的两个光电探测器。本发明共焦传感器融合光学超分辨和差动共焦显微跟踪聚焦技术，旨在提高光探针传感器的空间分辨力和量程，同时满足高空间分辨力、高精度和较大测量范围的要求，特别适用于表面三维微细结构、微台阶、微沟槽、线宽以及表面形貌的测量等。

Description

具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器

技术领域：

本发明属于微观测量技术领域，特别是涉及一种采用光学手段对表面三维微细结构、微台阶、微构槽、集成电路线宽以及表面形貌进行测量的具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器。

背景技术：

随着半导体技术向超大规模集成电路、毫米波及量子器件的发展，微细加工技术已进入深亚微米、纳米三维加工技术领域。因此，研究适应这一发展要求的大范围、高空间(即纵向和横向)分辨能力的成像及检测技术十分必要。

由于基于扫描隧道、原子力、近场光学等原理的扫描探针式传感器技术得到了快速发展，传感器的空间分辨能力已达到纳米量级。但是此类方法尚存在诸多局限和不足：如基于扫描隧道技术上的各类扫描探针显微术，成像时要求探针和样品之间控制在纳米量级的范围内，近场光学显微镜的探针和样品之间也要求控制在一个波长的范围内且光能损失大等，其结果是限制了此类仪器的成像检测范围，制约了其在大突跳样品和变化凸起大的样品中的应用，且存在仪器结构复杂、造价昂贵、测试条件苛刻、成像速度低等缺点。而共焦显微镜点照明和点探测这一独特的光路布置使其具有三维层析成像的能力，这就使采用共焦显微术技术成为解决上述问题的一个主要途径。

近年来，国内外的学者不断在共焦传感技术领域取得了一些研究成果。例如，哈尔滨工业大学的谭久彬、王富生、赵维谦提出了“差动共焦式纳米级光聚焦探测技术”(第三届海峡两岸计量科技学术研讨会论文集。兰州，2000：59～63)；中国专利“共焦显微镜”(申请号：01122439.8，公开号：CN 1395127A)提出将干涉法引入传统的共焦显微成像系统中，用于改进轴向分辨力的方法；中国专利“双频共焦台阶高度显微测量装置”(申请号：02120884.0，公开号：CN 1384334A)公开了一种双频共焦台阶干涉显微系统；以及台湾大学的C-H.Lee等提出了非干涉差分共焦显微技术理论(Optics Comm.1997，35：233～237)。但上述成果仅仅局限在光学传感系统轴向分辨力的改善与提高方面，并没有解决光学传感系统横向超分辨能力的问题。

虽然目前也有关于共焦显微系统的横向分辨力较相同条件下的普通显微系统的横向分辨力改善了1.4倍的报道，但其横向分辨力仍较其轴向分辨力要低大约2个数量级。事实上共焦显微镜横向分辨力的提高已成为提高其空间分辨力的关键。为此，中国科学院上海光机所的邓小强等设计了一种三维超分辨光瞳滤波器(中国激光。2001，28(5)：459～462)，以期达到三维超分辨的效果，其结构如图1所示：该三维超分辨光瞳滤波器为具有一定厚度的同心圆环形基板，中心圆区归一化半径为a，该区的透过率为k，中间圆环区外圆归一化半径为b，光瞳滤波器的最外圆归一化半径为1。其基本原理是通过优化设计a、k和b参数值的大小，来达到光瞳滤波器的三维超分辨效果。但该滤波器属于环形漏光型滤波器，存在光能损失大，透过率控制困难等不足，同时因为既要进行横向超分辨又要兼顾轴向超分辨，三维超分辨效果并不显著。

发明内容：

为了克服上述已有技术对三维细微结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽以及表面形貌无法精确分辨的不足，本发明融合了光学超分辨和差动共焦显微技术的特性，提供一种具有高空间分辨力和较大测量范围的整形环形光束式差动共焦传感器。

本发明的技术原理为：通过增加激光束照射系统高频光线所占的比例，使差动共焦显微系统爱里斑的主瓣变小，从而达到提高共焦显微系统的空间分辨能力，同时通过轴向跟踪亦扩展了共焦传感器量程范围；另外，利用差动信号处理系统将整形环形光横向超分辨特性与差动共焦显微技术的轴向高分辨特性相融合，从而达到对被测目标进行高空间分辨力、绝对零点和较大量程范围测量的目的。

本发明共焦传感器包括激光器，依次放在激光器发射端的扩束器、空间滤波针孔、环形光整形器件、可调光阑、偏振分光镜、放置在偏振分光镜透射光路上的四分之一波片、跟踪电感传感器、测量显微物镜，以及将偏振分光镜透射的测量光束分为两束测量光的分光镜、分别会聚两束测量光的两聚光镜、和分别位于两聚光镜焦前位置的和焦后位置的两个针孔，以及分别贴近两个针孔后面的光电探测器组成。

本发明共焦传感器还包括依次相连的一个聚焦信号差动处理系统、一个放大处理转换器和一个数据处理计算机，其中聚焦信号差动处理系统与两个光电探测器相连，将接受的传感信号经放大处理后，由计算机再进行数据处理。

本发明共焦传感器中的环形光整形器件可以位于扩束器与偏振分光镜之间，也可以同时将两环形光整形器件放置于两聚光镜与分光镜之间。该环形光整形器件可以是圆环形位相分布的二元光学器件。

本发明共焦传感器可以在测量显微物镜前面设置一个微位移驱动器，该微位移驱动器可以是Z向压电陶瓷驱动器(PZT)。

本发明共焦传感器中的环形光整形器件，可以将差动共焦显微系统的入射激光光束整形为超分辨所需的特定结构的环形光，而利用可调光阑调整入射环形光归一化半径，从而实现提高共焦显微装置的横向分辨力的目的。同时，采用差动共焦的光路布置提高共焦显微装置的纵向分辨力，进而避免了已有的三维超分辨光瞳滤波器既要提高横向分辨力，又要提高纵向分辨力，从而降低了三维超分辨的综合性能的缺点。

本发明共焦传感器具有如下优点：

1)在提高横向分辨能力的同时，可扩展传感器轴向量程范围；

2)差动共焦的光路布置，显著提高了轴向分辨力，弥补了横向超分辨时轴向分辨力略有下降的不足；

3)减小了传统环形光瞳超分辨时的能量损失；

4)改善了共焦系统的离焦特性；

5)测量系统具有绝对跟踪零点和双极性跟踪特性，可实现绝对测量；

6)差动共焦光路系统的采用又可抑制环境状态的差异、光源光强的波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高了测量系统的信噪比、灵敏度以及线性度等。

附图说明：

图1为已有技术的三维超分辨光瞳滤波器。

图2为本发明共焦传感器的结构示意图。

其中，1激光器，2扩束器，3空间滤波针孔，4光电探测器，5针孔，6圆环形位相分布的二元光学器件(BOE)，7可调光阑，8聚光镜，9光电探测器，10针孔，11聚光镜，12分光镜，13偏振分光镜(PBS)，14四分之一波片，15显微物镜，16被测工件，17微位移工作台，18显微物镜Z向微位移驱动系统，19显微物镜Z向位移跟踪传感器，20微位移驱动电源，21聚焦信号差动相减处理系统，22放大处理转换器，23计算机处理系统。

图3为原子力显微镜扫描的标准台阶高度扫描图。

图4为原子力显微镜扫描的标准台阶宽度扫描图。

图5为差动共焦传感器台阶横向扫描曲线图。

图6为采用二元光学横向超分辨后的差动共焦传感器台阶横向扫描曲线图。

图7为台阶横向扫描比对图。

具体实施方式：

下面对本发明的高空间分辨力整形环形光束式差动共焦传感器的结构及工作原理结合实施例及附图详细说明如下：

本实施例高空间分辨力整形环形光束式差动共焦传感器的结构如图2所示，包括：激光器1，依次放在激光器发射端的扩束器2、空间滤波针孔3、圆环形位相分布的二元光学器件6、调整入射环形光归一化半径的可调光阑7、偏振分光镜13、放置在偏振分光镜透射光路上的四分之一波片14、显微物镜Z向位移跟踪传感器19、显微物镜15、显微物镜Z向微位移驱动系统18、压电陶瓷驱动电源20，将偏振分光镜13透射的测量光束分为两束测量光的分光镜12、分别会聚两束测量光的聚光镜8和聚光镜11、位于聚光镜8焦前位置的针孔5和位于聚光镜11焦后位置的针孔10；还包括分别贴近针孔10和贴近针孔5后的光电探测器9和光电探测器4、聚焦信号差动相减处理系统21、放大处理转换器22、计算机处理系统23。

本实施例高空间分辨力整形环形光束式差动共焦传感器的主要器件型号及参数如下：

本实施例中测量物镜15分别优先选用10×0.25、40×0.65和60×0.85的普通平场消色差显微物镜。

光电探测器4和9优先采用美国NEWFOCUS公司生产的2001型光电接收器，饱和功率范围为10mW，最大可调增益为10⁴，最小噪声等效功率为0.25pW/Hz^1/2，在波长为632.8nm处的典型响应为0.42A/W。

针孔3和10优先选用美国NERPORT公司的PH-10型针孔，它由超薄钼材料构成，孔径尺寸为10μm，厚度为15.24μm。

微位移工作台17的驱动器优先选用美国NEWFOCUS公司生产的大范围、高稳定性Picomotor(微位移驱动器)驱动器，配以缩小比例为5∶1的柔性铰链工作台组成纳米级的微动标定系统，Picomotor微位移驱动器每个驱动脉冲可获得2nm的进给。

测量物镜15的轴向定位，优先采用德国PI公司生产的显微物镜微定位装置，它由微位移驱动系统18、高精度电感传感器19和轴向铰链驱动机构等构成，驱动分辨力为3nm，量程300μm，加载后的频响为100Hz。经圆环形位相分布的二元光学器件6整形后的环形光内、外径分别为φ0.856mm和φ3.484mm，为了验证不同ε值情况下的超分辨性能，使用可调光阑7改变环形光瞳的外径。在此使用φ3.5mm、φ1.7mm和φ1.1mm的光阑分别改变环形光束的外径，使其对应的归一化半径分别为ε≈0.25、ε＝0.5和ε≈0.78。

本实施例高空间分辨力整形环形光束式差动共焦传感器的超分辨性能初步测试结果为：

系统的分辨特性可以通过测量美国DI公司Dimension3100型原子力显微镜配带的标准台阶来考核。图3和图4为经Dimension3100型原子力显微镜扫描的标准台阶的扫描图。图3给出了两标识点(三角)垂直方向对应的台阶高度约等于118.23nm，两标识点水平方向对应的台阶跳跃区的距离为0.1367μm。图4给出了两标识点(三角)水平方向对应的台阶宽度为1.836μm。

被测物选用标准台阶，显微物镜选用放大倍数为60×0.85的物镜，将台阶置于载物台上，通过微调机构沿轴向调整台阶，使光触点聚焦在台阶表面上，而后，沿与光触点垂直的横向位置移动台阶，微动工作台的分辨力为2nm，移动范围约13μm，用HP5528A双频激光干涉仪检测台阶的移动量，其分辨力为0.01μm，驱动系统能以分辨力为0.01μm的进给量微动台阶。

图5中ε＝0为未用二元光学器件进行超分辨时，测得的台阶横向扫描曲线，两标识点(箭头)水平方向对应的台阶跳跃区的距离为0.403μm，其值包括台阶自身的跳跃区宽度。

图6中ε＝0.5为用二元光学器件进行超分辨时，测得的台阶横向扫描曲线，两箭头所示的标识点水平方向的距离对应台阶跳跃区的距离，其大小为0.268μm，若再考虑台阶自身的斜度为0.1367μm(包括原子力显微镜自身的横向分辨力)，则超分辨后横向分辨力优于0.2μm。

为便于比较，将电压值标定为位移值，将图10中所示的未采用二元光学器件的台阶扫描曲线和图11中所示的采用二元光学器件进行超分辨时的台阶扫描曲线绘于图7中，跳跃区斜率变化大的为用二元光学器件进行超分辨的位移曲线。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和测试效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征在于，该共焦传感器包括激光器，依次放在激光器发射端的扩束器、空间滤波针孔、环形光整形器件、可调光阑、偏振分光镜、放置在偏振分光镜透射光路上的四分之一波片、跟踪电感传感器、测量显微物镜，以及将偏振分光镜透射的测量光束分为两束测量光的分光镜、分别会聚两束测量光的两聚光镜、和分别位于两聚光镜焦前位置的和焦后位置的两个针孔，以及分别贴近两个针孔后面的光电探测器组成。

2.根据权利要求1所述的高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征在于该共焦传感器还包括依次相连的一个聚焦信号差动处理系统、一个放大处理转换器和一个数据处理计算机，其中聚焦信号差动处理系统与两个光电探测器相连，将接受的传感信号经放大处理后，由计算机再进行数据处理。

3.根据权利要求1所述的高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征在于所述的环形光整形器件可以位于扩束器与偏振分光镜之间，也可以同时将两环形光整形器件放置于两聚光镜与分光镜之间。

4.根据权利要求1所述的高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征是所述的环形光整形器件是圆环形位相分布的二元光学器件。

5.根据权利要求1所述的高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征在于可以在测量显微物镜前面设置一个微位移驱动器。

6.根据权利要求5所述的高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器，其特征在于微位移驱动器可以是Z向压电陶瓷驱动器(PZT)。

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